A Phenomenological Heat Transfer Model of SI Engines – Application to the Simulation of a Full-Hybrid Vehicle Un modèle phénoménologique de transfert thermique au sein de moteurs à allumage commandé — Application à la simulation d’un véhicule full-hybride

Abstract

A hybrid thermal-electric vehicle allows some significant fuel economy due to its peculiar use of the Internal Combustion Engine (ICE) that runs with better efficiency. However, this propulsion system impacts its thermal behaviour, especially during its warm-up after a cold start. The ICE can indeed be shut down when the vehicle is stopped (Stop&Start system) and during full-electric propulsion mode (allowed at light speed and load if the battery state of charge is high enough) resulting in a lack of heat source and a slow down of the warm-up. Moreover, the use of the ICE at higher loads while charging the batteries provides an increase of the heating power generated by the combustion. Control strategies in a hybrid vehicle (energy repartition between the two propulsions: thermal and electric) have a significant effect on its final consumption. Therefore, the simulation of hybrid vehicles is then useful to evaluate the efficiency of these strategies. However, the consideration of the warm-up of the ICE in such a propulsion system was done in only few published studies. A simulation tool using the Amesim software has been developed in order to simulate the warm-up of an ICE used in a hybrid parallel propulsion system. The corresponding model is developed in order to take into account the thermal phenomena occurring between the different ICE components. Thus, a thermodynamic model is coupled with a thermal model of the metallic parts and the different fluid loops (water and oil). Their mean temperature dependence with different parameters like speed, the load, the cylinder geometry and the spark advance, is studied with the aim at reducing fuel consumption. The thermal model of the engine is finally integrated in a simulation of the whole vehicle. The thermal behaviour of a parallel electric full-hybrid vehicle using a spark ignition engine is then presented using this simulation tool. The simulation results show the impact of the peculiar use of the ICE on its thermal behaviour. Especially, it appears that the efficiency of the engine is less penalized than expected by the cold state of the engine. Finally, a parametric study of the modeled engine and a research of a possible optimization of the engine efficiency and the warm-up period are done. Un véhicule hybride électrique permet des économies de carburant non négligeables grâce à une meilleure utilisation du Moteur à Combustion Interne (MCI) sur des points de régime-charge à meilleurs rendements. Cependant ce fonctionnement particulier a un impact sur le comportement thermique du MCI, en particulier, pendant sa période de chauffe après un départ à froid. En effet, le moteur peut être arrêté lorsque le véhicule est à l’arrêt (système Stop&Start) ainsi que pendant les phases de propulsion en électrique pur (possible à vitesse faible si l’état de charge de la batterie est suffisamment élevé) entraînant un manque de source de chaleur et donc un ralentissement du réchauffement du moteur. De plus, l’utilisation du MCI avec des charges plus importantes lors de la recharge des batteries provoque une augmentation de la puissance thermique disponible issue de la combustion. Les stratégies de contrôle d’un véhicule hybride (répartition d’énergie entre les deux types de propulsion : thermique et électrique) ont un effet important sur sa consommation finale. Ainsi, la simulation phénoménologique 0D de véhicules hybrides est utile afin d’évaluer l’efficacité de ces stratégies. Cependant, il existe un nombre très limité d’études où la période de chauffe du moteur thermique est prise en compte dans ce type de simulations. Un outil de simulation utilisant le logiciel Amesim a été développé afin de simuler la montée en température du MCI utilisé dans un système de propulsion hybride parallèle. Le modèle est construit afin de prendre en compte les phénomènes thermiques ayant lieu au sein de cet élément. Un modèle thermodynamique est couplé à un modèle de transferts thermiques représentant les différentes parties métalliques ainsi que les différents fluides (eau de refroidissement et huile de lubrification). La dépendance de leur température moyenne en fonction de différents paramètres comme la vitesse, ou bien la charge est étudiée dans le but de réduire la consommation de carburant. Le modèle thermique du moteur à combustion interne est finalement intégré dans une simulation d’un véhicule complet. Le comportement thermique d’un véhicule full-hybride électrique parallèle utilisant un moteur à allumage commandé est alors présenté utilisant cet outil de simulation. Les résultats de simulation montrent un impact certain de l’utilisation particulière du MCI dans ce type de véhicule sur le comportement thermique global de cet élément. En particulier, il semble que le rendement du moteur thermique est moins pénalisé que ce qui était attendu lors du fonctionnement à faible température. Finalement, une étude paramétrique du moteur modélisé ainsi qu’une recherche sur les possibilités d’optimisation du fonctionnement du moteur lors de la phase de montée en température sont réalisées.